LED顯示屏干擾光問題的探討

王化鋒 / 周 輝

(上海三思電子工程有限公司， 上海 201199)

1 干擾光的范疇

通常來說，凡是不被正確使用的光均應(yīng)屬于干擾光，從人和環(huán)境角度考慮，本文將干擾光分為兩類，第一類是對(duì)人無直接影響的干擾光，這里簡(jiǎn)稱為間接干擾光，其特點(diǎn)是只消耗能源不產(chǎn)生效益；第二類是對(duì)人和環(huán)境造成不良影響的光，簡(jiǎn)稱為直接干擾光，特點(diǎn)是產(chǎn)生效益的同時(shí)，給人和環(huán)境帶來一定的負(fù)面影響。

間接干擾光的具體范疇詳見表1。

表1 間接干擾光的具體范疇

直接干擾光的具體范疇詳見表2。

表2 直接干擾光的具體范疇

以發(fā)光二極管(LED)作為載體的大型多媒體顯示終端和信息引導(dǎo)平臺(tái)已越來越多地被使用在各種場(chǎng)合(如大型商業(yè)區(qū)、綜合商務(wù)區(qū)、公路交通、鐵路交通、體育場(chǎng)館等)，大多數(shù)LED顯示屏選址通常以商業(yè)價(jià)值作為評(píng)判依據(jù)，導(dǎo)致很多LED顯示屏安裝在居民樓、辦公樓和公路附近。由于LED顯示屏產(chǎn)品自身的光輻射特性、制造商系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)水平差異和使用時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確性偏差，造成很多LED顯示屏產(chǎn)生某些干擾光，給人和環(huán)境帶來一定的影響。因此本文通過了解不同的使用環(huán)境(場(chǎng)合)對(duì)光照(亮度)、輻射角度的基本需求及照度限值，根據(jù)LED顯示屏光輻射特性的測(cè)量，探究LED顯示屏干擾光的種類，及通過哪些技術(shù)可以減少或消除LED顯示屏干擾光。

2 LED顯示屏的干擾光

要確定LED顯示屏?xí)砟男└蓴_光，首先需要明確LED顯示屏的光輻射性能，根據(jù)其輻射特性分析LED顯示屏可能形成的干擾光。

2.1 光輻射特性

LED顯示屏是以模塊為最小單元拼接構(gòu)成的，因此可以通過測(cè)量模塊的光輻射性能來推算LED屏的輻射特性，本測(cè)試模塊規(guī)格為：像素間距：20mm；分辨率：8×8像素；尺寸：160mm×160mm；像素配置：1R1G1B。模塊詳見圖1所示。

圖1 模塊

采用光強(qiáng)空間分布測(cè)試系統(tǒng)在暗室環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試距離5.84m，距離較遠(yuǎn)，模塊可近似于點(diǎn)光源來看待，單個(gè)模塊的空間光輻射特性與顯示屏的空間光輻射特性一致，圖2～3列出了水平和垂直兩個(gè)方向的光線輻射分布及空間立體輻射分布的實(shí)際測(cè)試結(jié)果。

圖2 水平方向空間輻射

圖3 垂直方向空間輻射

根據(jù)模塊的發(fā)光強(qiáng)度可以推算出顯示屏的法線方向亮度，亮度是單位面積顯示屏的發(fā)光強(qiáng)度，亮度與光強(qiáng)計(jì)算公式見式(1)。

L0=I0/A

(1)

式中，L0為測(cè)試模塊的亮度，cd/m2，A為試驗(yàn)?zāi)K的面積，m2。

以8×8試驗(yàn)?zāi)K測(cè)試數(shù)據(jù)為例，發(fā)光強(qiáng)度I0取383cd，水平半功率角(θ1/2)取49°，垂直半功率角(θ1/2)取24.3°，則測(cè)試模塊的亮度L0=383/0.025 6=14 960cd/m2。

LED顯示屏由若干LED模塊空間拼接組成，因此其光輻射特性與單個(gè)模塊的光輻射是一致的。LED顯示屏光強(qiáng)輻射分布示意圖詳見圖4。上述空間輻射測(cè)試數(shù)據(jù)表明，LED顯示屏的光輻射有以下幾個(gè)特性。

1)在顯示屏面積范圍內(nèi)，其輻射亮度在LED發(fā)光面法線方向維持不變。

2)在顯示屏面積之外，其輻射亮度可以看作是近余弦分布的朗伯光源，可以采用觀測(cè)角近余弦光強(qiáng)分布函數(shù)來評(píng)估，詳見式(2)。

Iθ=K·I0·cos(m·θ)

(2)

式中，m=-ln2/cos(θ1/2)；Iθ為觀測(cè)角θ方向的光強(qiáng)，cd；K為遮擋系數(shù)，0～1；I0為法線角(0°)方向的光強(qiáng)，cd。

觀測(cè)角θ方向顯示屏的亮度詳見式(3)。

Lθ=Iθ/Aθ=K·I0·cos(m·θ)/Aθ

(3)

式中，Lθ為θ角方向的亮度，cd/m2；Aθ為θ角方向顯示屏的投影面，m2。

利用上述光強(qiáng)分布函數(shù)可以測(cè)算出LED顯示屏水平和垂直方向不同角度的輻射光強(qiáng)，但垂直方向需要考慮顯示屏的視角遮擋系數(shù)K，這是由于戶外LED顯示屏都設(shè)計(jì)有帶帽檐的面罩，可以提高對(duì)比度，起到一定的遮陽作用，因此對(duì)顯示屏上下視角有一定的遮擋，遮擋角的大小在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)確定，如圖5中θ為輻射角，?為遮擋角。

垂直方向遮擋系數(shù)：當(dāng)θ≥?時(shí)，K=0；當(dāng)θ

圖4 LED顯示屏光強(qiáng)輻射分布示意(垂直方向)

圖5 遮擋角示意

2.2 LED顯示屏可能產(chǎn)生的干擾光

2.2.1 光溢出(光浪費(fèi))

通過對(duì)上述LED模塊光輻射測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前LED顯示屏產(chǎn)品普遍采用的制造工藝可知，幾乎每個(gè)顯示屏均存在一定的光浪費(fèi)，無論是雙列直插(DIP)型還是表面貼裝(SMD)型，均以橢圓體或球體向外輻射發(fā)光，都存在有效觀看范圍以外的光輻射，這些光均屬于光浪費(fèi)。LED顯示屏光浪費(fèi)區(qū)域詳見圖6。

圖6 LED顯示屏光浪費(fèi)區(qū)域

LED顯示屏的應(yīng)用場(chǎng)合多樣，對(duì)有效觀看范圍進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定有一定的困難，從實(shí)際應(yīng)用分析，水平方向均屬于有效觀看范圍，其光浪費(fèi)主要在垂直方向的上視角區(qū)域，這些角度的光輻射既浪費(fèi)能源，也會(huì)造成光環(huán)境污染。

2.2.2 眩光

根據(jù)CIE31-1976技術(shù)報(bào)告定義，將眩光分為兩類：不舒適眩光和故障眩光(或失能眩光)，兩者有非常密切的關(guān)聯(lián)性，不舒適眩光是一個(gè)主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，按舒適等級(jí)給出評(píng)估；故障(失能)眩光對(duì)車輛駕駛員安全駕駛的危害最為嚴(yán)重，CIE 150-2003《戶外照明設(shè)備侵?jǐn)_光照限制指南》對(duì)失能眩光給出兩種量化限制，閾值增量(TI)和光幕亮度(LV),閾值增量(TI)衡量由于道路照明燈具的失能眩光造成目標(biāo)可見度降低，其限制值是15%；光幕亮度是光入侵人眼引起視網(wǎng)膜光散射造成視網(wǎng)膜圖像對(duì)比度降低，如同在圖像上增加了一層光幕，計(jì)算公式詳見式(4)，目標(biāo)物照度是一個(gè)重要的量化指標(biāo)。

LV=K·Ev/θ2

(4)

CIE 150-2003規(guī)范中對(duì)環(huán)境區(qū)域照度做了明確的劃分和限制，詳見表3～4。

表3 CIE150-2003劃定的環(huán)境區(qū)域

表4 CIE150-2003限定的目標(biāo)物最大垂直照度值

北美照明工程協(xié)會(huì)(IESNA)針對(duì)照明設(shè)備安裝在不同環(huán)境下的光入侵同樣給出了明確的限制值(詳見下節(jié)),其劃分區(qū)域與CIE規(guī)范一致，也是分為4個(gè)區(qū)域，通過尺燭光來評(píng)估光入侵值，但兩者之間的限制值有些差異，CIE 150-2003在宵禁后的要求高于IESNA。考慮LED顯示屏與照明燈具性質(zhì)不同，本文選擇IESNA發(fā)布的TM-11-00作為標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)來模擬評(píng)估。

LED顯示屏雖然不屬于照明設(shè)備，但是一種主動(dòng)發(fā)光設(shè)備，實(shí)際存在輔助照明的性質(zhì)，也會(huì)因?yàn)槭褂貌划?dāng)產(chǎn)生失能眩光，如LED顯示屏亮度過高在暗環(huán)境下會(huì)嚴(yán)重干擾人對(duì)目標(biāo)的視覺分辨能力；當(dāng)LED顯示屏照射到目標(biāo)物的照度高于目標(biāo)物所處環(huán)境的背景照度時(shí)，也會(huì)造成目標(biāo)物識(shí)別不清；LED顯示屏還存在顏色和亮度的動(dòng)態(tài)變化，如果設(shè)計(jì)使用不當(dāng)，會(huì)造成一定的眩光危害,目前還沒有恰當(dāng)?shù)姆椒▉頊?zhǔn)確量化測(cè)算LED顯示屏產(chǎn)生的失能眩光，這與LED顯示屏大小、亮度顏色的不斷變化、安裝方式和安裝地點(diǎn)等因素的多樣性有關(guān)，但可以利用CIE150規(guī)范或IESNA TM-11-00規(guī)范來評(píng)估測(cè)算LED顯示屏是否會(huì)產(chǎn)生眩光，或粗略定量確定不同環(huán)境區(qū)域LED顯示屏在夜晚時(shí)段的運(yùn)行亮度限制值。

2.2.3 光入侵

商業(yè)類LED顯示屏多數(shù)是安裝在已有的建筑物(尤其在一些老舊商業(yè)中心)上，往往附近就是居民樓或商務(wù)中心，在LED顯示屏選址時(shí)只注重其商業(yè)價(jià)值，沒有考慮周圍環(huán)境，造成一些顯示屏在傍晚運(yùn)行期間光線會(huì)侵入居民臥室內(nèi)或辦公室，尤其是這些入侵光線隨播放圖像變化出現(xiàn)明暗及顏色的不斷變動(dòng)，對(duì)日常工作和休息造成影響。

安裝在道路兩側(cè)的LED顯示屏及道路信息誘導(dǎo)屏，其在傍晚運(yùn)行時(shí)光輻射對(duì)駕駛員的影響同樣需要考慮和限制。

北美照明工程協(xié)會(huì)(IESNA)針對(duì)照明安裝設(shè)計(jì)在傍晚時(shí)段對(duì)不同環(huán)境光入侵給出一個(gè)限制值(在IESNA發(fā)布的TM-11-00中)，按環(huán)境亮度從暗到亮劃分了4個(gè)等級(jí)區(qū)域，以尺燭光(fc)定義了各等級(jí)區(qū)域光入侵的限制值，這些限制值的評(píng)估測(cè)算點(diǎn)是人眼位置，如表5所示。

表5 各等級(jí)區(qū)域光入侵的限制值

3 如何消除和避免LED顯示屏干擾光

3.1 光溢出

根據(jù)上面對(duì)LED顯示屏可能產(chǎn)生的干擾光分析，如果不做任何技術(shù)處理，幾乎每個(gè)顯示屏都會(huì)存在一定的光溢出(光浪費(fèi))，有些場(chǎng)合光溢出是需要的，因?yàn)長(zhǎng)ED顯示屏作為信息發(fā)布媒介，其觀看范圍越大越好，如商場(chǎng)內(nèi)安裝在低樓層的LED顯示屏，希望在高樓層也有很好的觀看效果；但對(duì)于絕大多數(shù)場(chǎng)合LED屏的光溢出是不需要的。理論上光溢出的消除可以通過以下三種方法實(shí)現(xiàn)。

1)物理截光法

通過延長(zhǎng)面罩遮陽帽的長(zhǎng)度，將上視角輻射的光部份遮擋，帽檐內(nèi)壁最好有一定的反射率，減少光浪費(fèi)。該方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但不能完全消除LED顯示屏的光溢出，若帽檐長(zhǎng)度過大會(huì)對(duì)下視角有影響，存在垂直視角減小的缺點(diǎn)，小間距(如16mm以下)的LED屏將嚴(yán)重影響其垂直視角，因此在設(shè)計(jì)中必須權(quán)衡。

2)光學(xué)截光法

通過降低LED垂直方向的上輻射角度和增大下輻射角度，來實(shí)現(xiàn)光溢出的消除或減少。其中有兩個(gè)環(huán)節(jié)可以采用光學(xué)截光方式實(shí)現(xiàn)，一是LED封裝環(huán)節(jié)，二是LED模塊環(huán)節(jié)，具體實(shí)現(xiàn)方法在此不做詳細(xì)探討。光學(xué)截光技術(shù)改變LED垂直方向的光輻射角度，以DIP型LED為例，詳見圖7～8，為常規(guī)型及截光型輻射分布。

圖7 常規(guī)輻射分布

圖8 截光型輻射分布

3)結(jié)構(gòu)傾斜法

安裝結(jié)構(gòu)前傾一定角度，從而增大LED顯示屏的下視角，減低LED顯示屏的光溢出，增大其空間光輻射的有效觀看范圍。這種方式增加鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)安裝主體的承載要求高，因此前傾角度不易過大，實(shí)際設(shè)計(jì)要綜合評(píng)估。常規(guī)安裝與前傾安裝對(duì)比詳見圖9。

圖9 常規(guī)安裝與前傾安裝對(duì)比

3.2 眩光和光入侵

3.2.1 定量評(píng)估模型

實(shí)驗(yàn)證明，眩光和光入侵主要是由LED顯示屏亮度過高或安裝位置過近造成的。當(dāng)顯示屏的光入侵或目標(biāo)物垂直照度在規(guī)定的限制值內(nèi)時(shí)，不會(huì)有眩光的產(chǎn)生，因此控制顯示屏傍晚的亮度在限制值以內(nèi)是消除和避免眩光、光入侵的關(guān)鍵做法。

為確定LED顯示屏在傍晚運(yùn)行時(shí)的亮度是否滿足IESNA在TM-11-00中劃定的不同區(qū)域光入侵限制值，首先要確定LED顯示屏的面積(S)，其次確定觀測(cè)點(diǎn)到屏中心的距離，如圖10所示，為測(cè)算點(diǎn)位置示意圖。

圖10 測(cè)算點(diǎn)位置示意

利用公式(5)可以測(cè)算出滿足光入侵照度限制時(shí)顯示屏的亮度。

Ev=Lθ·Sθ/D2

(5)

式中，Ev為觀測(cè)點(diǎn)人眼的照度，fc；Lθ為顯示屏測(cè)算方向的亮度，cd/m2；Sθ為顯示屏在觀測(cè)點(diǎn)的投影面積，m2；D為觀測(cè)點(diǎn)距離顯示屏的距離，f(英尺)。

從公式(5)可知，觀測(cè)點(diǎn)照度與LED顯示屏在觀察點(diǎn)方向的亮度成正比；觀測(cè)點(diǎn)照度與LED顯示屏的面積成正比；觀測(cè)點(diǎn)照度與觀測(cè)點(diǎn)到LED顯示屏的距離成平方反比。

LED顯示屏的應(yīng)用場(chǎng)合多樣，本文重點(diǎn)講述商業(yè)中心和高速公路兩種場(chǎng)合，以道路車輛行駛線路為觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行模擬測(cè)算和評(píng)估。

3.2.2 商業(yè)中心區(qū)域

商業(yè)中心是LED顯示屏應(yīng)用最多的區(qū)域，其特點(diǎn)是面積較大，安裝高度多數(shù)在10m以上，周圍環(huán)境照度較高，臨街安裝，距離道路較近，顯示屏視角大，其輻射更符合朗伯光源的特性，下面舉例說明。

某商業(yè)中心項(xiàng)目LED顯示屏面積100m2(10m×10m)、屏最大亮度6 000nit、距地面高度10m、半功率角60°、其m=1，測(cè)算其最大允許的亮度，根據(jù)TM-11-00劃定的區(qū)域，應(yīng)該屬于高亮度區(qū)域，照度限制Ev=1.5fc，如圖11所示，觀察測(cè)算點(diǎn)按近距(5m)、中距(25m)和遠(yuǎn)距(50m)，根據(jù)公式(5)，表6分別列出了三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在不同亮度等級(jí)時(shí)所產(chǎn)生的照度。

圖11 商業(yè)區(qū)100m2顯示屏觀測(cè)角照度評(píng)估示意

亮度級(jí)/%法線亮度L0/(cd/m2)近距5m模擬測(cè)算中距25m模擬測(cè)算遠(yuǎn)距50m模擬測(cè)算觀測(cè)角亮度/(cd/m2)觀測(cè)點(diǎn)照度Ev/Fc觀測(cè)角亮度/(cd/m2)觀測(cè)點(diǎn)照度Ev/Fc觀測(cè)角亮度/(cd/m2)觀測(cè)點(diǎn)照度Ev/Fc10060001854.3116.765196.94944.3285563.54117.4389054001668.8815.0874677.25439.8955007.18615.6948048001483.4513.4114157.55935.4634450.83213.9507042001298.0211.7353637.86431.0303894.47812.2076036001112.5910.0583118.16926.5973338.12410.463503000927.168.3822598.47422.1642781.7708.719702400741.736.7052078.77917.7312225.4166.975301800556.295.0291559.08513.2981669.0625.231201200370.863.3531039.3908.8661112.7083.48810600185.431.676519.6954.433556.3541.744530092.720.838259.8472.216278.1770.872421666.760.603187.0901.596200.2870.628314444.500.402124.7271.064133.5250.41928425.960.23572.7570.62177.8900.24413611.130.10131.1820.26633.3810.105

要滿足1.5fc的限制，從上述測(cè)算結(jié)果分析:a.顯示屏在宵禁時(shí)段的亮度應(yīng)小于200cd/m2；b.顯示屏必須具備亮度調(diào)節(jié)功能，且夜晚運(yùn)行亮度設(shè)置在4%以下。

3.2.3 高速公路

LED顯示屏作為可變交通信息誘導(dǎo)和限速指示，在高速公路領(lǐng)域發(fā)揮了極其重要的作用，其特點(diǎn)是面積<15m2，安裝高度>5.5m，夜晚周圍環(huán)境照度較低，主要有門架式和單臂式安裝兩種方式，位于道路上方或側(cè)面，半功率視角一般<15°，光輻射指向性強(qiáng)，當(dāng)視角>15°時(shí)，其光衰減很快。

現(xiàn)以LED顯示屏面積=12m2(1.2m×10m)，屏最大亮度10 000nit，距地面距離5.5m為例，半功率角15°，其m=19.7。根據(jù)TM-11-00劃定的區(qū)域，應(yīng)該屬于低亮度區(qū)域，照度限制Ev=0.1fc，測(cè)算其最大允許的亮度，如圖12所示，觀察測(cè)算點(diǎn)按近距(100m)、中距(200m)和遠(yuǎn)距(300m)，表7分別列出了三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在不同亮度等級(jí)時(shí)所產(chǎn)生的照度。

要滿足0.1Fc的限制，從上述測(cè)算結(jié)果得出:a.顯示屏在宵禁時(shí)段的亮度應(yīng)<2 500cd/m2；b.顯示屏夜晚運(yùn)行亮度應(yīng)設(shè)置在30%以下。

表7 高速公路12m2顯示屏照度表

圖12 高速公路12m2顯示屏觀測(cè)角照度評(píng)估示意

4 結(jié)束語

避免干擾光的出現(xiàn)，面積大小、亮度控制、距離(限制區(qū)域)三個(gè)基本要素在LED顯示屏選址、設(shè)計(jì)、運(yùn)行時(shí)需要重點(diǎn)考量，特別是在一些需要限制的區(qū)域，如居民區(qū)附近、道路(交叉路口、事故多發(fā)地段)附近等。

安裝位置距離限制區(qū)域的距離應(yīng)越遠(yuǎn)越好；LED顯示屏必須具備16級(jí)以上的自動(dòng)、時(shí)段預(yù)設(shè)和手動(dòng)三種亮度調(diào)節(jié)功能，且確保夜晚亮度設(shè)置在限制的范圍內(nèi)；在夜晚時(shí)，LED顯示屏應(yīng)避免播放明暗變化過快的圖像，多以靜態(tài)圖像為主，延長(zhǎng)圖像更新的時(shí)間。

從上述模擬測(cè)算結(jié)果可以看出，只要合理地控制LED顯示屏在不同環(huán)境照度下的亮度，就可以很好地避免出現(xiàn)眩光和光入侵；光溢出雖很難完全避免，但可以通過技術(shù)手段減少光溢出。

[1] CIE 150-2003 室外照明裝置的干擾光的影響限制指南[S].

[2] CIE 31-1976道路照明在安裝中的炫光和不舒適性[S].

[3] 夏勛力,余彬海,麥鎮(zhèn)強(qiáng). 近朗伯光型LED透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用,2010,25(01):22-25+37.